Dimensionarea Schimbătorului de Căldura

1. Definirea temei

Să se dimensioneze schimbătorul de căldură şi coloana de absorbţie dintr-o instalaţie de sechestrare a bioxidului de carbon din gazele obţinute la arderea unui gaz de sondă. Compoziţia gazelor de ardere este (procente volumetrice ): 10,2 %CO2, 15,6% H2O, 72,5% N2, 1,7%O2 . Se consideră că înainte de intrare în schimbătorul de căldură gazele de ardere sunt supuse unui proces de eliminare a vaporilor de apă.

Date de proiectare

- n=15;

- debitul volumetric de gaze de ardere, GvG=100+10*n, N*m3/h;

- temperatura gazelor de ardere la intrarea în schimbătorul de căldură: tGi=160-n,0C;

- temperatura gazelor de ardere la ieşirea din schimbătorul de căldură : tGe=25 0C;

- agentul de răcire utilizat este apa de adâncime cu temperatura de intrare tai=15 0C şi temperatura de ieşire din schimbător tae=30 0C;

- absorbţia CO2 are loc într-o coloană de absorbţie cu 3 talere , presiunea atmosferică şi temperatura de 25 0C într-o soluţie de trietanolamină (TEA);

- Datele de echilibru pentru sistemul bioxid de carbon –soluţie TEA sunt prezentate în tabelul următor:

Tabel 1

Y(moli CO2/moli inert) 0,003 0,006 0,01 0,014 0,025 0,036 0,052 0,073 0,1 0,133

X(moli CO2/moli inert) 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

- soluţia TEA este liberă de CO2 la intrarea în coloană

- debitul de lichid absorbant (soluţie TEA) utilizat în coloană este de : L=(1,2+0,02*n)*Lmin, unde Lmin reprezintă debitul minim de lichid absorbant ;

- randamentul de absorbţie este de : 98-0,05*n,%.

- n=15;

- GvG=100+10*n=100+10*15⇒ GvG=250 N*m3/h;

- tGi=160-n=160-15⇒tGi=145 0C, tGe=25 0C;

- tai=15 0C, tae=30 0C ;

- numărul de talere este de 3

- L=(1,2+0,02*n)*Lmin=(1,2+0,02*15)*Lmin⇒L=1,5* Lmin ;

- randamentul S=98-0,05*n=98-0,05*15⇒S=97,25%

2. Schimbătoarele de căldură

2.1. Date generale

Schimbătoarele de căldură sunt aparate termice în care are loc transferul de căldură de la un fluid la altul, în procese de încălzire, răcire, fierbere, condensare sau în alte procese termice în care sunt prezente două sau mai multe fluide cu potenţiale termice diferite. Fluidul care cedează căldură (fluidul “cald”) se numeşte agent termic primar, iar cel care primeşte căldură (fluidul “rece”) se numeşte agent termic secundar.

Dimensionarea sau verificarea schimbătoarelor de căldură necesită un calcul termic, un calcul hidraulic şi un calcul mecanic (de rezistenţă).

Calculul termic de dimensionare presupune cunoaşterea parametrilor agenţilor termici precum şi sarcina termică a schimbătorului. În acest caz se alege forma constructivă a aparatului şi se determină suprafaţa de schimb de căldură.

Calculul termic de verificare presupune cunoaşterea suprafeţei de schimb de căldură a aparatului şi parte din parametrii agenţilor termici. Prin calculul termic de verificare se stabilesc posibilităţile termice ale aparatului în diferite condiţii de funcţionare.

Calculul hidraulic al unui schimbător necesită determinarea pierderilor de sarcină (căderile de presiune) pentru cei doi agenţi termici ce circulă prin aparat.

Calculul mecanic stabileşte dimensiunile elementelor metalice, astfel încât eforturile unitare produse de presiune şi de variaţia de temperatură să nu le depăşească pe cele admisibile.

Condiţiile de funcţionare cele mai importante ce caracterizează regimul de lucru al schimbătoarelor de căldură sunt:

- temperaturile si presiunile agenţilor la intrarea şi ieşirea din schimbător (în cazul răcirii aerului este importanta si umiditatea acestuia);

- diferenţa minimă de temperaturi între cei doi agenţi.

Sarcinile termice ale schimbătoarelor de căldură, care reprezintă mărimile fundamentale pentru proiectarea acestor aparate sunt date de caracteristicile geometrice ale schimbătoarelor de căldură, adică de:

- modul de dispunere a ţevilor

- pasul dintre ţevi;

- dimensiunile ţevilor (diametru exterior şi interior, sau diametrul exterior şi grosimea);

- numărul de rânduri de ţevi (ţevi pe orizontală) şi numărul de secţii (ţevi pe verticală).

Caracteristicile funcţionale, sunt cele care definesc performantele termice şi fluidodinamice ale schimbătoarelor de căldură. Între acestea cele mai importante sunt:

- coeficientul global de transfer termic

- pierderile de presiune pe circuitele celor doi agenţi

- modul de automatizare a funcţionării (prin controlul presiunii agentului frigorific, al givrajului, sau al compoziţiei apei, etc.).

Operaţiile de întreţinere necesare reprezintă o altă caracteristică importantă, iar câteva exemple sunt:

- purjarea (gazelor necondensabile, uleiului, etc.);

- curăţarea, degivrarea, desprăfuirea, detartrarea;

- tratamente auxiliare (dedurizarea apei, filtrarea, etc.).